一種大容量IGBT整流器控制技術(shù)

1、一種大容量IGBT整流器控制技術(shù)1引言隨著現(xiàn)代微電子、功率元件、計(jì)算機(jī)的發(fā)展，整流器結(jié)構(gòu)及 其控制技術(shù)也得到了迅猛的進(jìn)步。從二極管整流、可控硅整 流，再到大容量igbt整流器，各種整流器都得到實(shí)際的應(yīng)用。 針對(duì)不同的技術(shù)需求，選擇不同的整流結(jié)構(gòu)，同時(shí)采納了各 種先進(jìn)的控制技術(shù)。因此基于功率元件的通流能力和耐壓水 平，選擇某種結(jié)構(gòu)的整流器在傳動(dòng)系統(tǒng)中至關(guān)重要；而其軟件控制技術(shù)也保障了傳動(dòng)設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)安全運(yùn)行。2大容量igbt整流器在大型冷軋廠的應(yīng)用某冷軋廠主軋機(jī)五機(jī)架，主馬達(dá)功率最大為5750kw。包括卷曲機(jī)在內(nèi)，總共采用了6套大容量傳動(dòng)系統(tǒng)。在大容量傳動(dòng)系統(tǒng)中，采用日立矢量變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，其中

2、整流器和 逆變器功率元件均采用三菱3.3kv/1.2ka 規(guī)格的igbt。每臺(tái)整流器采用獨(dú)立直流母線給逆變器供電，而中容量和小容量 傳動(dòng)系統(tǒng)則采用公共直流母線。在整流器中采用pwm控制方式以及igbt功率元件，一方面 其高功率因數(shù)節(jié)省電能的同時(shí)，另一方面能夠減少諧波，因 此省去部分SVC裝置。這套變頻裝置具有輸出電壓諧波小， 功率因數(shù)高，調(diào)速精度高，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。同 時(shí)由于全數(shù)字控制方式，整套系統(tǒng)在工藝調(diào)整、日常維護(hù)等 方面簡(jiǎn)潔方便并能準(zhǔn)確查找故障。3 igbt整流器控制原理igbt整流器一方面用來將電網(wǎng)電壓整流成直流電壓送往逆變器;同時(shí)也可以將反向制動(dòng)產(chǎn)生的能量通過igbt逆變成

3、網(wǎng)側(cè)頻率電壓送往電網(wǎng)。在igbt模塊中，與igbt元件還并聯(lián)一個(gè)二極管。此二極管在逆變器中常作續(xù)流二極管，將馬達(dá) 反向制動(dòng)過程的機(jī)械能量反饋回逆變輸入側(cè)。而在igbt整流器中，整流過程主要是依靠二極管進(jìn)行全波整流，并不是依 靠igbt進(jìn)行整流，也不進(jìn)行調(diào)壓，調(diào)頻調(diào)壓主要由逆變器實(shí) 現(xiàn);igbt元件的功能主要體現(xiàn)在提高功率因數(shù)為1，同時(shí)將系統(tǒng)回饋能量逆變成工頻電壓反饋回電網(wǎng)，如圖1所示。圖1大容量igbt整流器主回路3.1日立變頻器三電平 pwm控制技術(shù)整流器采用三電平系統(tǒng)整流電路，它將輸出直流電壓為edc通過鉗位二極管分為 +edc/2、0和-edc/2 三電平。采用三 電平系統(tǒng)，可以有效的降

4、低每個(gè)igbt承受的壓降，從而提高 整流器容量。在三電平控制系統(tǒng)中，門極指令邏輯見表1。圖2為整流器的控制信號(hào)和波形示意圖。通過雙極性載波信號(hào)與一同步交流電壓比較，輸出門極控制脈寬調(diào)制信號(hào)，按照表1的指令邏輯，來控制igbt的導(dǎo)通1 表1 igbt控制指令邏輯圖2 igbt控制指令及波形五機(jī)架中大馬達(dá)額定電壓達(dá) 1750v，額定電流可達(dá)1553a。 這么高的電壓和大電流，如果采用高頻載波頻率，igbt發(fā)熱量也較高，對(duì)igbt裝置的損傷就較大。為了減少 igbt的發(fā) 熱量以延長(zhǎng)使用壽命，為此載波頻率采用相對(duì)較低至600hz。但是這種控制方式帶來的結(jié)果可能會(huì)使輸出的電壓 波形失真較高，影響控制精度

5、等問題。為解決這個(gè)問題，采 用預(yù)見性pwm控制技術(shù)，即先預(yù)測(cè)采用600hz頻率的載波 頻率會(huì)給輸出pwm波帶來多少誤差，然后通過控制回路輸 出的pwm波形對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，使輸出的電壓波形更接近正 弦波1。3.2輸出電壓控制結(jié)構(gòu)1圖3整流器數(shù)字控制系統(tǒng)框架圖圖3為整流器數(shù)字控制系統(tǒng)框架圖，其所含基本結(jié)構(gòu)如下(1)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(avr)avr控制可以在負(fù)載或電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)，通過反饋電壓和和指令電壓進(jìn)行比較控制，保證輸出直流電壓與指令一致。avr采用比例積分pi環(huán)節(jié)，avr的輸出作為整流器矢量控制中有功 電流的給定。(2) 負(fù)荷補(bǔ)償整流裝置采用負(fù)荷補(bǔ)償環(huán)節(jié)，當(dāng)負(fù)荷變化引起直流電壓波動(dòng) 時(shí)，該環(huán)節(jié)通過反饋

6、到輸入環(huán)節(jié)可以減小該波動(dòng)。負(fù)荷補(bǔ)償 計(jì)算逆變器側(cè)功率的消耗變換，將功率波動(dòng)計(jì)算結(jié)果作為整 流器控制輸入的一部分，改變有功電流的給定，減少直流電 壓的變化。(3) 同步電源與pwm同步電源通過將網(wǎng)側(cè)電源變壓后得到；同步電源與高頻載波信號(hào)通過比較結(jié)構(gòu)產(chǎn)生 pwm。由于該系統(tǒng)為數(shù)字系統(tǒng)，在 pwm的產(chǎn)生過程中，考慮到高功率因數(shù)的控制，采用了矢 量控制技術(shù)，將網(wǎng)側(cè)無功控制為0。3.3諧波控制技術(shù)pwm變頻器輸出波形以接近正弦為目的，但是其輸出電壓 中不可避免存在著諧波。對(duì)于制動(dòng)能量反饋回電網(wǎng)的波形中 也一樣存在。產(chǎn)生諧波的主要原因是 ：(1)在工程應(yīng)用中，對(duì)pwm波形的生成往往采用規(guī)則采樣 法或者專用

7、集成電路器件，并不能保證脈寬調(diào)制序列波的波 形面積與各段正弦波面積相等 ；(2)在實(shí)現(xiàn)控制時(shí)，為了防止逆變器同一橋臂上、下兩器件的同時(shí)導(dǎo)通而導(dǎo)致直流側(cè)短路，設(shè)置了一個(gè)導(dǎo)通時(shí)滯環(huán)節(jié)， 這些因素不可避免的造成輸出波形有所失真23。對(duì)pwm波形作傅氏級(jí)數(shù)分析，可求得其k次諧波相電壓幅值的表達(dá)式為：其中:us 變頻器直流電壓；a i 以相位角表示的第i個(gè)脈沖起始/終了時(shí)刻；m 同步電壓半個(gè)周期內(nèi)pwm脈沖波的個(gè)數(shù)。從上述公式可以看出，pwm整流器所帶來高次諧波的數(shù)量 與載波的相位有很大關(guān)系。對(duì)于同一電網(wǎng)下多組大容量整流 器運(yùn)行，采用控制每組間載波相位差相配合，可以很好的消 除一些諧波。假設(shè)兩組整流器運(yùn)

8、行在同一電網(wǎng)下，圖4為載波相位關(guān)系。圖(a)中兩個(gè)整流器單元載波相位相同，所以兩整流器產(chǎn)生的諧波也同相，因此體現(xiàn)在該系統(tǒng)電網(wǎng)上的諧波 為它們之和；圖(b)中兩整流器載波相位相差1800(假設(shè)一個(gè)載波周期對(duì)應(yīng)360o)，那么兩個(gè)整流器系統(tǒng)產(chǎn)生的某次諧波 相位也將相差180o，幅值相反，貝U產(chǎn)生在電網(wǎng)上的合成諧 波幅值則接近0。因此，對(duì)于n次諧波來說，可以通過設(shè)置 同一電網(wǎng)下不同整流器載波相位差并配合，來減少系統(tǒng)所產(chǎn)生的諧波1。，其中m為整流器單元個(gè)數(shù)。圖4載波相位與諧波的關(guān)系原理圖圖5現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整載波相位前后電壓波形圖圖5中所示的兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試波形圖，圖a為整流器控制中未調(diào)整載波相位配合時(shí)諧波對(duì)網(wǎng)側(cè)的

9、影響；圖b為將酸軋、連退和鍍鋅三條機(jī)組的整流器的pwm載波相位調(diào)整配合后網(wǎng)側(cè)輸入點(diǎn)電壓波形。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)整流器數(shù)量較多且復(fù)雜，每個(gè)整 流器組具體調(diào)整的相位差由日方進(jìn)行仿真得出?？梢钥闯觯?調(diào)整載波相位配合后，諧波對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓的影響明顯減小。3.4高功率因數(shù)控制技術(shù)功率因數(shù)控制在變頻器控制中是一個(gè)重要課題，對(duì)于電機(jī)節(jié) 能有重要意義。但是變頻器功率元件和控制方式的不同，其 整流電路的功率因數(shù)也不盡相同。見表 2。表2不同整流器的功率因數(shù)及特點(diǎn)23功率可以雙向傳遞，具有再生能力對(duì)于功率因數(shù)高的要求，便選擇pwm 了整流電路，其中功率元件采用了 igbt功率元件。通過基于igbt的控制系統(tǒng)可 以很好的將功率

10、因數(shù)控制為1，將能量從網(wǎng)側(cè)幾乎全部傳遞到馬達(dá)，同時(shí)將在反向制動(dòng)時(shí)將能量反饋回電網(wǎng)。在這個(gè)功率因數(shù)控制中，采用矢量控制技術(shù)。其中電流調(diào)節(jié) 器檢出電源側(cè)電流， 通過(u,v,w)到(dfb,qfb)變換，將它分解 為與電源電壓同相的有功分量iqf和與電源電壓正交的無功分量idfb。而將給定id*設(shè)定為0，并控制參數(shù)使兩個(gè)反饋 值與給定值iq*和id* 一致。由此，可以使輸入電壓與電流同 相，也就是功率因數(shù)為1。另外，將自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器和負(fù)荷補(bǔ)償環(huán)節(jié)的輸出作為有功電流給定來控制整流器輸出。圖6為功率因數(shù)控制過程中整流器矢量圖，圖a為非高功率因數(shù)參數(shù)矢量圖，可見 vs和is相位不一致，所以輸入功率因數(shù) 小于1;圖b為對(duì)整流器矢量控制后的矢量圖，vs和is被控制到同一相位，使輸入功率因數(shù)為